Chương 1. Tính chất phóng xạ của các đồng vị phóng xạ trong đất và trong thực vật. Phóng xạ tự nhiên từ các nguồn ngoài trái đất hay từ các nguyên tố phóng xạ có trong vỏ trái đất, gồm ba loại chính như sau [31]: + Các hạt nhân phóng xạ sinh ra cùng với thời điểm hình thành Trái đất có chu kỳ bán rã đủ dài còn tồn tại đến ngày nay (hạt nhân phóng xạ nguyên thủy); + Hạt nhân phóng xạ thứ cấp có nguồn gốc từ phân rã phóng xạ của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy; + Các hạt nhân phóng xạ được tạo ra liên tục bằng cách bắn phá các hạt nhân bền (chủ yếu xảy ra trong khí quyển) bởi các tia vũ trụ. Ở hầu hết các nơi trên trái đất, hoạt độ phóng xạ tự nhiên không có sự chênh lệch quá nhiều.
Chỉ một số ít địa phương có hoạt độ phóng xạ trong đất cao bất thường. Các hạt nhân phóng xạ tự nhiên có thể được chia thành các hạt nhân phóng xạ đơn lẻ và các hạt nhân phóng xạ thuộc ba chuỗi phóng xạ Urani, Thori và Actini [5]. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên đơn lẻ. Các nhân phóng xạ tự nhiên đơn lẻ bao gồm các nhân phóng xạ được hình thành do tương tác của các tia vũ trụ với vật chất trong bầu khí quyển và các nhân phóng xạ nguyên thủy có chu kỳ bán hủy đủ dài không thuộc ba họ phóng xạ Urani, Thori và Actini.
Trong Bảng 1 liệt kê một số nhân phóng xạ đơn lẻ chính và giá trị hoạt độ của chúng trong không khí tầng ở tầng đối lưu, nước mưa và nước biển của các đồng vị sinh ra từ bức xạ vũ trụ. Các nhân phóng xạ này sau khi được tạo thành chúng rơi lắng xuống bề mặt trái đất và vì vậy chúng có mặt trong môi trường. Trong số các hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc từ bức xạ vũ trụ, chỉ có 4 đồng vị 14C, 3H, 22 Na và 7Be có đóng góp nhất định đến liều chiếu xạ vào con người [31]. Một số đồng vị phóng xạ có trong bầu khí quyển [48].
Đồng Bức xạ Đồng vị Hoạt độ phóng xạ riêng đặc trưng vị Thời gian bán chính bền (Bq/kg) phóng rã Không khí Nước xạ (tầng đối Nước mưa biển lưu) 10Be 1.10-3 7 Be 53,3 ngày γ N, O 0,01 0,66 37Ar 35 ngày β- Ar 3,5.10-5 24Na 15 giờ β Ar 3-5,9.10-3 31Si 2,62 giờ β Ar 18P 109,8 tháng β+ Ar 38Cl 37,29 tháng β Ar 1,5-25.10-1 34mCl 31,99 tháng β+ Ar Ngoài các nhân phóng xạ có nguồn gốc do tương tác của tia vũ trụ với khí quyển còn có các nhân phóng xạ nguyên thủy có chu kỳ bán rã đủ dài nhưng không thuộc ba họ phóng xạ Urani, Thori và Actini. Bảng 2 đưa ra giá trị hoạt độ phóng xạ riêng cũng như bức xạ chính của các đồng vị phóng xạ đơn lẻ có chu kỳ bán hủy dài. Chỉ có 2 trên tổng số các đồng vị đồng vị phóng xạ đơn lẻ có chu kỳ bán hủy dài được 5 quan tâm nhiều nhất đó là 40K và 87Rb [31]. Các đồng vị phóng xạ khác hàm lượng của chúng trong vỏ trái đất rất nhỏ, tính phóng xạ rất thấp (chu kỳ bán rã lớn).
Các đồng vị phóng xạ nguyên thủy [31]. Hoạt độ phóng xạ riêng Đồng vị phóng Thời gian bán rã Bức xạ chính trong vỏ Trái đất điển xạ (năm) hình (Bq/kg) 40K 1,26.1-9 Trong ba đồng vị 39K, 40K và 41K có trong tự nhiên, chỉ có 40K là đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã 1,26. Về khối lượng 40K chiếm khoảng 0,0117% khối lượng của kali tự nhiên, với hoạt độ phóng xạ riêng khoảng 30 kBq/kg. Trong các loại đá khác nhau, đồng vị 40K chiếm từ 0,3 đến 4,5% tổng lượng K.
Nhìn chung, các loại đất bazan, cát có hàm lượng kali thấp, trong khi đó các loại đá granit, salic lại có 6 hàm lượng kali cao với hàm lượng lớn hơn 1000 Bq/kg. Hoạt độ phóng xạ riêng của 40 K trong đất từ 37 đến 1100 Bq/kg và có giá trị trung bình 400 Bq/kg [31]. Trong hai đồng vị rubidi được tìm thấy trong tự nhiên, 85Rb và 87Rb thì chỉ có đồng vị 87Rb là có tính phóng xạ, với chu kỳ bán rã 4,8. Đồng vị 87Rb chiếm 27,8% tổng lượng rubidi trong tự nhiên, với hoạt độ phóng xạ riêng là 0,74 kBq/g [45].
Theo Hội đồng quốc gia về bảo vệ và đo lường bức xạ Hoa Kỳ (NCRP - National Council on Radiation Protection and Measurements) ước tính đóng góp liều trung bình toàn thân từ đồng vị 87Rb là 3 µSv/năm [31]. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên. Ngoài các hạt nhân phóng xạ đơn lẻ nói trên, trong tự nhiên còn có các hạt nhân phóng xạ thuộc ba chuỗi phóng xạ Urani, Thori và Actini. Chuỗi urani bắt nguồn từ 238U và kết thúc bằng đồng vị bền 206Pb, chuỗi thori bắt đầu với đồng vị 232Th và kết thúc với đồng vị bền 208Pb, và chuỗi actini bắt nguồn từ 235U, kết thúc bằng đồng vị bền 207Pb.
Urani khá phổ biến trong tự nhiên, về mặt độ giàu đồng vị nó đứng thứ 38 trong số các nguyên tố có mặt trên trái đất, chủ yếu có mặt trong các đá gốc. Trong tự nhiên urani gồm ba đồng vị đó là 234U, 235U và 238U. Trong lớp vỏ trái đất, 238U chiếm 99,28% tổng lượng urani tự nhiên và thường ở trạng thái cân bằng phóng xạ hoặc gần cân bằng với 234U. Đồng vị 234U chiếm một lượng rất nhỏ khoảng 0,0058% so với tổng lượng urani tự nhiên.
235U, đồng vị gốc của chuỗi actini chiếm 0,71% so với tổng lượng urani tự nhiên [31]. Trong Bảng 3 đã liệt kê hoạt độ phóng xạ riêng 238U trong các loại đất đá phổ biến, cho thấy trong tất cả các loại đá hoạt độ phóng xạ riêng 238U khoảng từ 7 đến 60 Bq/kg. Hoạt độ phóng xạ riêng trung bình của 238U trong các loại đất nhỏ hơn hoạt độ trung bình trong các loại đá và có giá trị khoảng 22 Bq/kg. Hàm lượng trung bình của 40K, 232Th, 238U trong loại đất và đá điển hình [31].
40 232 238 K Th U Vật liệu % Bq/kg Ppm Bq/kg Ppm Bq/kg tổng K Đá bazan 0,8 300 3-4 10-15 0,5-1 7-10 Mafic 0,3-1,1 70-400 1,6; 2,7 7; 10 0,5; 0,9 7;10 Salic 4,5 1100-1500 16; 20 60; 80 3,9;4,7 50; 60 Đá granite >4 >1000 17 70 3 40 Đá sa thạch 2,7 800 12 50 3,7 40 Thạch anh sạch <1 <300 <2 <8 <1 <10 Thạch anh tạp chất 2 400 3-6 10-25 2-3 40 Khoáng chất Acco 2-3 600-900 2 <8 <1 <10 Cát biển <1 <300 6 25 3 40 Đá carbonat 0,3 70 2 8 2 25 Lớp vỏ lục địa 2,8 850 10,7 44 2,8 36 Đất 1,5 400 9 37 1,8 22 Nồng độ của 232Th trong các lớp đất đá cũng được liệt kê trong Bảng 3. Nồng độ 232Th dao động từ 1,6 đến 20 ppm trong các loại đá, với mức trung bình là 10,7 ppm. Nồng độ trung bình trong lớp vỏ trái đất của 232Th, gấp khoảng 4 lần so với 238 U. Tuy nhiên, hoạt độ phóng xạ riêng của 232Th là 0,11 pCi/g so với 0,33 pCi/g cho 238 U, do đó tính phóng xạ của hai đồng vị này xấp xỉ bằng nhau [31].
Các đồng vị phóng xạ nhân tạo. Hạt nhân phóng xạ nhân tạo được phát tán vào khí quyển và nước biển có thể di chuyển khắp toàn cầu và phát tán vào môi trường trên cạn với một tốc độ khá nhanh. Một khi hệ sinh thái trên cạn bị ô nhiễm, ngoài thời gian lưu lại, các tác động đến môi trường của các hạt nhân phóng xạ trong các thành phần sinh thái tùy thuộc vào chu kì bán rã của hạt nhân phóng xạ đó, đây chính là một đặc tính hóa học của chính nó. Các con đường di chuyển phóng xạ nhân tạo trong môi trường [25].
Đặc tính và phân bố các đồng vị phóng xạ trong đất 1. Đặc tính riêng của hạt nhân phóng xạ với ô nhiễm môi trường Một trong những đặc điểm chính của hạt nhân phóng xạ để đánh giá ảnh hưởng của chúng đối với môi trường đó là chu kỳ bán rã của nó. Chu kỳ bán rã càng dài, thì thời gian lưu lại trong các hệ sinh thái càng lâu và càng tác động lên hệ sinh thái mà nó xâm nhập. Có một số đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã ngắn nhưng lại có tác động lớn đối với môi trường.
Như đồng vị 222Rn, là một chất khí phát bức xạ alpha có chu kỳ bán rã là 3,82 ngày nhưng gây ra tác hại đáng kể trong không gian hạn hẹp như các mỏ khai thác, hang động và các tòa nhà, do sự phát tán liên tục của nó vào khí quyển từ sự phân rã của 226Ra trong đá, đất và vật liệu xây dựng. Tương tự 222 Rn, với chu kỳ bán rã ngắn 218Po (3,1 phút) và 214Po (164 micro giây) phát bức xạ alpha cũng có tính nguy hiểm cao. Ngoài ra còn có 131I cũng gây ảnh hưởng lớn tới con người thông qua con đường ăn uống. Phân tích dịch tễ học của con người sau 20 năm vụ tai nạn Chernobyl đã chỉ ra rằng loại ung thư duy nhất có liên quan trực tiếp đến việc phát tán các hạt nhân phóng xạ là ung thư tuyến giáp do tiếp xúc với 131I [19].
Mặc dù loại hạt nhân phóng xạ này không còn tìm thấy trong môi trường khoảng 9 3 tháng sau tai nạn. Các hạt nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã dài đặt ra các mối nguy hiểm cho môi trường trong các khoảng thời gian khác nhau. Đồng vị 137Cs và 90Sr với chu kỳ bán rã tương ứng 30 năm và 28 năm đã lắng đọng trên mặt đất khắp thế giới sau các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân trong khí quyển. Đồng thời với việc kiểm soát thời gian lưu lại trong các hệ sinh thái, chu kỳ bán rã cũng khá quan trọng trong việc xác định một số đại lượng vật lý liên quan của một hạt nhân phóng xạ đang tồn tại.
Đối với bất kỳ hạt nhân phóng xạ nào, hoạt độ phóng xạ trên một đơn vị khối lượng hay còn gọi là hoạt độ phóng xạ riêng có thể được tính toán bằng công thức sau: A A0 = (1. m Trong đó: A0 là hoạt độ phóng xạ riêng [Bq/g]; A là hoạt độ phóng xạ [Bq]; m là khối lượng của mẫu [g]; Từ công thức 1.1 thấy rằng, hoạt độ phóng xạ riêng của bất kỳ hạt nhân phóng xạ nào đều tỷ lệ nghịch với chu kỳ bán rã của nó.